Princípio de funcionamento e estrutura do osciloscópio digital
A parte de hardware do sistema de osciloscópio digital é uma placa de circuito de aquisição de dados de alta velocidade. Ele pode realizar entrada de dados de canal duplo e a frequência de amostragem de cada canal pode chegar a 60Mbit/s. Funcionalmente, o sistema de hardware pode ser dividido em: amplificação front-end de sinal (amplificador de entrada FET) e módulo de condicionamento (amplificador de ganho variável), módulo de conversão analógico-digital de alta velocidade (driver ADC, ADC), módulo de controle lógico FPGA , distribuição de relógio, processador de comparação de alta velocidade, módulo de controle de microcontrolador (DSP), módulo de comunicação de dados, display LCD, controle de tela sensível ao toque, gerenciamento de energia e bateria e controle de teclado.
Depois que o sinal de entrada é convertido pelo pré-amplificador e pelo circuito de ganho ajustável, ele se torna uma tensão de entrada que atende aos requisitos do conversor A/D. O sinal digital após a conversão A/D é armazenado em buffer pelo FIFO no FPGA ou na memória de aquisição e depois passa pela interface de comunicação. Ele é transmitido ao computador para posterior processamento de dados, ou os sinais coletados são controlados diretamente pelo microcontrolador para exibição na tela LCD.
Os dispositivos de referência são os seguintes:
Dentre essas partes, as mais importantes são o circuito de amplificação (atenuação) programável e o circuito de conversão A/D, pois esses dois circuitos são a garganta do osciloscópio digital, e o circuito de amplificação (atenuação) programável determina a largura de banda de entrada e vertical resolução do osciloscópio. , o circuito de conversão A/D determina a resolução horizontal do osciloscópio, e essas duas resoluções determinam diretamente o desempenho de um osciloscópio. Estas duas partes do circuito convertem o sinal medido no sinal de dados exigido pelo circuito de processamento subsequente. Esta parte do circuito pode ser composta por circuitos integrados de alto desempenho e um pequeno número de dispositivos periféricos. O projeto do circuito é simples e a depuração também é muito simples. A parte mais difícil de todo o osciloscópio deve ser o programa, ou seja, o aspecto do software. O software é responsável por todas as tarefas de processamento e controle de dados do osciloscópio digital, incluindo controle de amostragem A/D, controle de velocidade de varredura horizontal, controle de sensibilidade vertical, processamento de exibição, medição pico a pico, medição de frequência e outras tarefas. Você pode usar um microcontrolador muito comum no mercado como microprocessador e usar programação em linguagem C para implementá-lo.
Circuito de amplificação (atenuação) programável e circuito de fonte de alimentação
O sinal é recebido por uma ponta de prova comum do osciloscópio X10X1 e entra no circuito de amplificação (atenuação). A função do circuito de amplificação (atenuação) controlado por programa é amplificar ou atenuar o sinal de entrada para que a tensão do sinal de saída esteja dentro da faixa de requisitos de tensão de entrada do conversor A/D para obter os melhores efeitos de medição e observação. Portanto, o circuito amplificador controlado por programa opera dentro da largura de banda especificada. O ganho interno deve ser plano. Como o circuito do osciloscópio contém duas partes, digital e analógica, para evitar interferência mútua, a fonte de alimentação da parte digital e a fonte de alimentação da parte analógica são separadas. Um conjunto de fonte de alimentação de ±5V DC é fornecido respectivamente e isolado por um filtro feito de indutores e capacitores.
Memória flash e circuito de clock
Como a quantidade de dados de sinal capturados pelo conversor A/D é grande, a memória flash dentro do microcontrolador não é suficiente, então o circuito pode usar alguma memória externa.
Ao mesmo tempo, também é usado como cache para gravação no LCD. Para obter o sinal do relógio de referência, o microcontrolador também é conectado a um oscilador de cristal para calcular a frequência real do sinal de forma de onda externo.
Unidade de controle FPGA
O dispositivo lógico programável FPGA é um ASIC semipersonalizado que permite que os projetistas de circuitos se programem para implementar funções específicas da aplicação. Este projeto usa dois métodos diferentes de entrada esquemática e entrada de linguagem VHDL. A unidade de controle realiza a maioria das tarefas de controle e fornece sinais de controle correspondentes para cada módulo funcional para garantir a correção de todo o sistema. Especificamente, implementa as seguintes funções: Circuito de divisão de frequência e geração de sinais de controle para o conversor A/D. Este sistema de aquisição de dados possui uma faixa de medição relativamente ampla. Um circuito divisor de frequência é projetado dentro do FPGA para atingir diferentes frequências. Selecione diferentes frequências de amostragem para o sinal medido para garantir uma coleta de dados mais precisa. O diagrama de estrutura interna da unidade divisora de frequência é implementado usando o método de entrada gráfica conforme mostrado na Figura 4. Na Figura 4, quando a entrada do flip-flop T é 1, a saída saltará quando cada borda do clock chegar para atingir a frequência divisão. Ao mesmo tempo, podemos ver que a entrada do flip-flop T é composta por algumas combinações lógicas, que constituem o clock fechado. Para relógios fechados, analise cuidadosamente a função do relógio para evitar os efeitos de falhas. Quando o relógio fechado atende às duas condições a seguir, ele pode garantir que o sinal do relógio não apresente falhas perigosas e que o relógio fechado possa funcionar de maneira tão confiável quanto o relógio global.
Para o conversor A/D neste projeto, existem apenas dois sinais de controle: o sinal de entrada do clock CLK e o sinal de saída de habilitação OE. O sinal CLK insere diretamente um sinal de 60M através do oscilador de cristal ativo, enquanto o sinal OE é obtido invertendo o sinal de clock com a mesma frequência e fase que CLK dentro do FPGA, o que pode apenas atender à relação de tempo de conversão do A/D conversor.
Conversão A/D de alta velocidade; o circuito
O circuito mais importante em um osciloscópio digital é o circuito de conversão A/D. Sua função é amostrar e converter o sinal medido em sinal digital e armazená-lo na memória. Não é exagero dizer que é a garganta do osciloscópio digital, pois determina diretamente a frequência mais alta que um osciloscópio digital pode medir. De acordo com o teorema de Nyquist, a frequência de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a frequência mais alta do sinal medido para reproduzir o sinal medido. Em um osciloscópio digital, a frequência de amostragem deve ser pelo menos 5 a 8 vezes a frequência do sinal que está sendo medido, caso contrário a forma de onda do sinal não poderá ser observada.
